專利名稱：用于光纖光學(xué)系統(tǒng)的低成本光互連的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及光纖光學(xué)技術(shù)，更具體而言，本發(fā)明涉及將光從源耦合到光纖或?qū)⒐鈴墓饫w耦合到檢測器的設(shè)備。
背景技術(shù)：
由于發(fā)光二極管(LED)相對來說較為便宜，它們被廣泛應(yīng)用于短程光纖光學(xué)(fiber optic)系統(tǒng)，然而，它們限于低速應(yīng)用，例如最高帶寬為100-300MHz。在光纖光學(xué)系統(tǒng)中使用的三類主要的激光二極管是法布-珀羅(FP)激光二極管、分布式反饋(DFB)激光二極管和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。在光纖光學(xué)系統(tǒng)中使用的三類主要的檢測器是PIN光電二極管、集成檢測器/前置放大器(IDP)和雪崩光電二極管(APD)，其中PIN光電二極管是最常用的檢測器。
圖1圖示了使用邊緣發(fā)射器方法的傳統(tǒng)平行光纖光學(xué)互連結(jié)構(gòu)10。它包括安裝在陶瓷底座(submount)14之上的邊緣發(fā)射激光二極管的1×4陣列12，并且陣列12與光纖的1×4陣列16的四個刻面相對放置。陶瓷底座14被支撐在硅塊體18上。通常需要沿著X軸和Y軸進行5微米誤差范圍內(nèi)的對準(zhǔn)。光纖16并排置于向上開口的V形凹槽20的內(nèi)部，而V形凹槽20是在另一硅支撐塊體22的上表面中蝕刻形成的。塊體22的高度、V形凹槽20相對于塊體22的布置、以及V形凹槽20內(nèi)部的光纖16通常是非常精確的。而底座14和硅塊體18之間的間隙(gap)、硅塊體18和凹槽20之間的間隙和下面的封裝體(未畫出)不用如此精確。為了以兩個軸進行對準(zhǔn)，要么每個部件都需要高精度地進行制備，這是費用昂貴的，要么主動(基于器件)或被動(使用基準(zhǔn))地以多個軸對準(zhǔn)，這也是費用昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種低成本光互連(optical interconnect)，其簡化了在發(fā)射器或檢測器(一方面)和光纖(另一方面)之間的對準(zhǔn)，這種對準(zhǔn)是使信號損耗最小化所需要的。
在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的單通道(single channel)形式中，用于光纖光學(xué)系統(tǒng)的光互連包括由適當(dāng)?shù)墓饪赏干洳牧现瞥傻拇┩钙?penetrator)，該穿透器可光耦合到光電子器件，并且被配置成可插入塑料光纖，并在該光纖和該光電子器件之間傳送光。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的多通道(multiple channel)形式中，用于光纖光學(xué)系統(tǒng)的光互連包括多個穿透器，每個穿透器都是由適當(dāng)?shù)墓饪赏干洳牧现瞥傻?，這些穿透器可分別光耦合到多個光電子器件中的對應(yīng)一個，并且被配置成沿著多個塑料光纖的并排陣列中的一個對應(yīng)的塑料光纖的長度方向進行插入，以在所述光纖和對應(yīng)光電子器件之間傳送光。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于在光纖光學(xué)系統(tǒng)中提供光互連的方法。該方法包括提供光電子器件和提供塑料光纖的步驟。以允許光在穿透器和光電子器件之間傳輸?shù)姆绞?，相對于光電子器件安置由適當(dāng)?shù)墓饪赏干洳牧现瞥傻拇┩钙鳌４┻^光纖的側(cè)壁、沿著塑料光纖的長度方向、以允許光通過該穿透器而在該光纖和光電子器件之間傳送的方式插入該穿透器。


圖1是傳統(tǒng)(現(xiàn)有技術(shù))平行光纖光學(xué)互連結(jié)構(gòu)的放大局部透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的低成本光互連的單通道實施例的放大的簡要端視圖；圖3是圖2的光互連的側(cè)視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的低成本光纖光學(xué)互連的多通道實施例的放大的局部透視圖。
具體實施例方式
后面所描述的低成本光互連要用于塑料光纖(POF)，塑料光纖是傳統(tǒng)玻璃光纖(GOF)的替代品。最近的進展已經(jīng)生產(chǎn)出具有顯著性能的塑料光纖，使得它適用于短距離到中距離的傳輸路徑上。例如，利用由圍繞著聚丙烯加固層的全氟化聚合物制成的低損耗、漸變折射率塑料光纖，可以獲得相對較高的帶寬。已經(jīng)證明，這種光纖的傳輸速率在一百米的長度上超過了每秒11吉比特，而損耗只有每千米20分貝。
塑料光纖的直徑通常大于玻璃光纖的直徑。例如，塑料光纖可能具有200-300微米的外部覆層直徑以及120-180微米的核心直徑。外部保護套的直徑通常為500-1000微米。由于相對較大的直徑，因而即使塑料光纖的末端受到損壞或污染，或者即使纖維的軸線稍微偏離了中心，傳輸數(shù)據(jù)也是可能的。因此，與用于連接玻璃光纖的的光連接器相比，塑料光纖的光連接器可以更簡單并且更便宜。塑料光纖非常堅固并且相對來說易于彎曲。可以使用刀片(razor)或鋒利的工具來切割塑料光纖以形成平坦的末端或刻面(facet)，該平坦的末端或刻面可以和進行了類似切割的塑料光纖緊密結(jié)合在一起，這在光穿過這個結(jié)的過程中將產(chǎn)生約3分貝的損耗?？梢约訜岵④浕芰瞎饫w的末端，并且隨后將其向一個反射表面(mirroredsurface)擠壓，使得塑料光纖的安裝比玻璃光纖更容易。塑料光纖一般具有相對較小的損耗，即使是當(dāng)彎曲半徑達到25毫米的時候也是如此。因此，當(dāng)在住宅內(nèi)或辦公室內(nèi)連接計算機和通信裝置時，塑料光纖非常適于在墻壁內(nèi)以及其它堅固的區(qū)域內(nèi)安裝。
根據(jù)本發(fā)明，塑料光纖不需要進行嚴格的對準(zhǔn)。塑料光纖可以很容易地被刺入，特別是當(dāng)它已被加熱而軟化的時候，以允許耦合到光電子器件的穿透器的插入，這在下文將進行描述。玻璃光纖在環(huán)境溫度下非常堅硬，不能象塑料光纖那樣很容易地被外來物體刺入。玻璃光纖只有被加熱到極高的溫度才能軟化，這樣會使隨后引入的穿透器被損壞，并且/或者耦合到該處的光轉(zhuǎn)換設(shè)備也會被損壞。軟化玻璃光纖還會削弱它的低損耗傳輸能力。
圖2和圖3圖示了低成本單通道光互連30，該單通道光互連30包括通常為棱錐形或圓錐形的穿透器32，該穿透器32光耦合到光電子器件34，并被配置成刺入塑料光纖36且能夠在塑料光纖36和光電子器件34之間傳輸光。光互連30和現(xiàn)有技術(shù)光互連之間的顯著不同在于，光互連30沿著光纖36來耦合光電子器件34，而不是在光纖36的末端表面或刻面處進行耦合。這種方法有效地避免了沿Y軸精確對準(zhǔn)的需要，并且允許一種低成本被動對準(zhǔn)方法。
光電子器件34可以是最適合與塑料光纖共同使用的類型的發(fā)射器或光電檢測器。因此，術(shù)語“光電子器件”包括但不限于LED、法布-珀羅(FP)激光二極管、分布式反饋(DFB)激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、PIN光電二極管、集成檢測器/前置放大器(IDP)和雪崩光電二極管(APD)。圖2和圖3中圖示的光互連30的光電子器件34是頂部發(fā)射垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。穿透器32直接置于VCSEL的輸出表面之上，不僅用來刺入光纖36還用來將VCSEL光耦合到光纖36。穿透器32還可以直接蝕刻到光電子器件34的襯底內(nèi)。如圖3中的箭頭所示，來自光電子器件(VCSEL)34的輸出表面的光從穿透器32的有角度的側(cè)壁上的涂層40反射，并且射入光纖36。涂層40可以由諸如金的適當(dāng)材料制成。也可能并不需要涂層40，而是可以將穿透器32制造成僅僅依靠全內(nèi)反射就能產(chǎn)生所需要的光耦合。在光電子器件34是檢測器的情況下，相反的動作也將發(fā)生，使得來自光纖36的光被路由到光電子器件34的主動表面，用于轉(zhuǎn)換成電信號。或者，穿透器32可以具有至少一個涂敷了一種材料的側(cè)壁，該材料有助于將光從光電子器件34耦合到光纖36。
穿透器32(圖2和圖3)可以具有特制的側(cè)壁角度或涂層，以幫助耦合到光纖36并使進入VCSEL 34的背反射最小化。穿透器32可以由適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)透明材料制成，例如塑料或玻璃。穿透器32可以被蝕刻到底部照明或底部發(fā)射光電子器件?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)恼澈蟿┗蛞云渌椒▽⒋┩钙?2連接到光電子器件34，所述其它方法要能牢固地連接這兩個設(shè)備，而不會損害光從VCSEL 34通過穿透器32到光纖36的傳輸。穿透器32可能足夠鋒利，使得可以通過將其壓入適當(dāng)?shù)纳疃榷倘氕h(huán)境溫度下的塑料光纖，優(yōu)選地不完全穿透光纖36。在優(yōu)選實施例中，穿透器32至少延伸到光纖36的直徑的一半長度處。或者，可以將塑料光纖36加熱到高于環(huán)境溫度且足以使之軟化的預(yù)定溫度，以方便并幫助插入過程。在穿透器32也是由塑料材料制成的的情況下，應(yīng)當(dāng)注意不要使其軟化，這通過單獨加熱塑料光纖36和/或以具有非常高的熔點的塑料材料制備穿透器32來實現(xiàn)?；蛘?，可以加熱穿透器32以方便并幫助插入過程。
單通道光互連30可以使用適當(dāng)?shù)哪z、灌注混合物(potting compound)或其它材料密封，用于使結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。圖2中以虛線42簡要圖示了這個密封層。密封層42可以僅僅用作光電子器件34和穿透器32之間的粘合層，或者它還可以延伸越過這兩個組件和連接的光纖36，用來幫助維持適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)，并且用來承受那些否則將導(dǎo)致光互連30內(nèi)的斷裂或其它故障的應(yīng)力。密封層42可以環(huán)繞圖2和圖3中示出的結(jié)構(gòu)的所有部分，以形成一個密封并產(chǎn)生一個低成本的結(jié)實的封裝件。
圖4圖示了低成本多通道平行光纖光學(xué)互連50，它包括1×4陣列的VCSEL(不可見)，該VCSEL陣列被安裝到被硅塊體54支撐的共同的陶瓷襯底或管芯(die)52上。可以省略共同的陶瓷襯底或管芯52，從而VCSEL陣列將直接安裝于硅或砷化鎵襯底或者熱電冷卻器上。硅襯底還可以是集成電路。以假想線示出的四個穿透器56每個都安裝到對應(yīng)的VCSEL之一上。每個穿透器56都刺入1×4陣列的塑料光纖58中的對應(yīng)的一個塑料光纖。光纖58并排放置，并在向上開口的V形凹槽60內(nèi)部平行地延伸，其中V形凹槽60是在另一硅支撐塊體62的上表面中蝕刻的。光纖58是在升高的溫度下被擠壓到穿透器56上的。沿X軸的容許公差大于圖1中圖示的傳統(tǒng)方法。在圖4中圖示的多通道平行光纖光學(xué)互連50中消除了對沿Y軸精確對準(zhǔn)的需要。更具體地說，不需要進行下述費用昂貴的主動對準(zhǔn)步驟調(diào)整管芯52相對于硅支撐塊54的高度，以及/或者調(diào)整硅支撐塊54相對于硅支撐塊62的高度?；ミB54的經(jīng)選擇部分或全部外表面可以用適當(dāng)?shù)牟牧?未示出)來密封，用于增強防震和密封性等等。平行光互連50和圖1的現(xiàn)有技術(shù)平行光互連之間的顯著不同在于，光互連50沿著光纖58來耦合光電子器件，而不是通過光纖58的末端表面或刻面64來進行耦合。這種方法有效地避免了沿Y軸精確對準(zhǔn)的需要，并且允許一種低成本被動對準(zhǔn)方法。正如圖2和圖3的單通道光互連30那樣，圖4多通道光纖光學(xué)互連50的穿透器56的形狀可以有多種形式，并且可以涂覆上涂層用于方便裝配和/或改進光纖58和附在陶瓷底座52之上的光電子器件之間的光傳輸。
參考圖2和圖3，關(guān)于單通道光互連30，一種在光纖光學(xué)系統(tǒng)中提供光互連的方法包括，順序或反序提供光電子器件34和提供塑料光纖36的步驟。由適當(dāng)光可透射材料制成的穿透器32相對于光電子器件34、以允許光在穿透器32和光電子器件34之間傳輸?shù)姆绞竭M行布置。同樣，該步驟相對于最初兩個步驟的順序并不重要。根據(jù)我們的基本方法的最后步驟，穿透器32沿著塑料光纖36的長度方向、以允許光通過穿透器32而在光纖36和光電子器件34之間傳輸?shù)姆绞讲迦牍饫w36的側(cè)壁。在插入步驟期間，可以進行沿X和/或Y軸的各種最小限度的對準(zhǔn)步驟，但是不需要沿光纖36的縱向軸進行實際的對準(zhǔn)?？梢栽谌魏坞A段執(zhí)行密封全部或部分光互連30這一可選步驟。穿透器32可以插入塑料光纖36，并且隨后鄰近光電子器件34安置。我們已經(jīng)發(fā)明了一種類似的方法用于提供多通道光互連50。
已經(jīng)描述根據(jù)本發(fā)明的用于光纖光學(xué)系統(tǒng)的低成本光互連的一些實施例，并且描述了將塑料光纖和光電子器件互連的方法，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能想到對其進行修改和變化。例如，由于穿透器32非常鋒利，它可以刺入未經(jīng)改變的塑料光纖36，或者它可以通過插入到先前由刀片、激光或其它切割工具在光纖中形成的切痕或其它物理入口處，而插入到這樣的光纖。在后一種方法中，穿透器不需要具有鋒利或尖的外形，因為它不用切入光纖36。作為其它示例，穿透器56不需要物理耦合到光電子器件，而是可以由其它結(jié)構(gòu)來制成，從而它們將與光電子器件鄰接放置。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當(dāng)基于權(quán)利要求的范圍來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于光纖光學(xué)系統(tǒng)的光互連(30)，包括光電子器件(34)；以及由適當(dāng)?shù)墓饪赏干洳牧现瞥傻拇┩钙?32)，所述穿透器(32)被光耦合到所述光電子器件(34)，并且被配置成沿著光纖(36)的長度方向插入，用于在所述光纖(36)和所述光電子器件(34)之間傳輸光。
2.如權(quán)利要求1所述的光互連，其中所述穿透器(32)具有棱錐外形。
3.如權(quán)利要求1所述的光互連，其中所述穿透器(32)具有圓錐外形。
4.如權(quán)利要求1所述的光互連，其中所述穿透器(32)被蝕刻到所述光電子器件(34)的襯底中。
5.如權(quán)利要求1所述的光互連，其中所述光電子器件(34)選自由頂部發(fā)射垂直腔面發(fā)射激光器和底部發(fā)射垂直腔面發(fā)射激光器構(gòu)成的組。
6.如權(quán)利要求1所述的光互連，其中所述穿透器(32)的至少一個壁涂敷有材料(40)，所述材料(40)使得進入所述光電子器件(34)的背反射光最小化。
7.如權(quán)利要求1所述的光互連，其中所述穿透器(32)的至少一個壁涂敷有材料(40)，所述材料(40)有助于光從所述光電子器件(34)耦合到所述光纖(36)。
8.如權(quán)利要求1所述的光互連，還包括光纖(36)，所述光纖(36)被所述穿透器(32)刺入，以使所述光電子器件(34)和所述光纖(36)光耦合。
9.如權(quán)利要求8所述的光互連，還包括密封層(42)，所述密封層(42)至少部分圍繞所述光電子器件(34)、所述穿透器(32)和/或所述光纖(36)。
10.如權(quán)利要求1所述的光互連，還包括塑料光纖(36)，其中所述穿透器(32)沿著所述塑料光纖(36)的長度方向插入到所述光纖(36)的直徑的至少一半長度處。
全文摘要
一種用于光纖光學(xué)系統(tǒng)的單通道光互連(30)，包括由光可透射材料制成的穿透器(32)，被配置成沿塑料光纖(36)的長度方向插入，用于在光纖(36)和光電子器件(34)之間傳輸光。多通道光互連(50)使用光電子器件與對應(yīng)光可透射穿透器的線性陣列(52)。穿透器(32)可以是由塑料或玻璃制成的棱錐體或圓錐體，位于對應(yīng)的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)(12，34)之上。穿透器(32)還可以直接蝕刻到底部發(fā)射VCSEL的襯底中。穿透器(32)可以具有特制的側(cè)壁角度或涂層(40)，以便于耦合到光纖(36)中并使進入VCSEL的背反射最小化。
文檔編號H01S5/40GK1580846SQ200410070299
公開日2005年2月16日 申請日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月5日
發(fā)明者喬納森·西蒙, 莉薩·A·溫多弗, 史蒂文·A·羅西瑙 申請人:安捷倫科技有限公司